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何月伦;韩维涛;田晓梅
【摘 要】This paper expounds the working principle of the bolt flange joint and the influence factor of the leakage of flange, and analyzes the causes of the leakage of flange, and puts forward and implements a reasonable treatment scheme, which solves the flange Leakage problem.%阐述了螺栓法兰接头的工作原理及法兰泄漏的影响因素,结合中压蒸缘由汽系统法兰泄漏状况, 分析了导致法兰泄漏的缘由,并实施了合理的处理方案,解决了法兰的泄漏问题.
【期刊名称】《炼油与化工》
【年(卷),期】2025(026)005
【总页数】4 页(P54-57)
【关键词】蒸汽;管道法兰;泄漏分析;处理方案
【作 者】何月伦;韩维涛;田晓梅
【作者单位】克拉玛依石化公司其次联合车间,疆克拉玛依 834003;克拉玛依石化公司其次联合车间,疆克拉玛依 834003;疆油田公司风城油田作业区,疆克拉玛依 834003
【正文语种】中 文
【中图分类】
某企业建制氢装置开工后，中压蒸汽系统管道法兰消灭泄漏，经紧固法兰螺栓止
住了局部漏点，但仍有多达 30 余处的漏点未处理好，被迫带压堵漏。实行的是卡
具+注胶的堵漏方式，这种堵漏方式不能从根本上堵住泄漏，过不了多长时间，随着注胶干结，卡具与胶体脱离，蒸汽又会从缝隙中泄漏出来。频繁泄漏及随后的处理给装置安全平稳运行带来巨大压力，同时增加了装置能源消耗。最终实行法兰包焊的堵漏方式处理，变可拆的法兰连接为焊接形式的永久连接。
泄漏故障分析
对法兰的泄漏点进展分析得出 5 个结论。
〔1〕泄漏法兰使用的垫片为金属八角垫片；〔2〕泄漏发生的时间点不确定，蒸汽系统温度、压力变化时会发生泄漏，系统稳定时泄漏也时有发生；〔3〕泄漏发生位置不固定，汽包饱和蒸汽管线有泄漏，过热蒸汽管道也有泄漏发生，设备未投用的副线的法兰也消灭泄漏，漏点分布在蒸汽系统各个位置；〔4〕泄漏发生后需准时紧固法兰螺栓或带压堵漏，否则时间长了可能造成密封面冲蚀损坏，使得泄漏扩大；〔5〕泄漏法兰大小不定，法兰公称通经从 DN20 到 DN250。
密封使用状况
金属八角垫密封是螺栓法兰接头的一种属强制密封形式，主要由八角垫片、带梯形槽的法兰及供给垫片预紧载荷的螺栓组成。金属八角垫片的截面呈八角形，八角垫与法兰梯形槽的内外侧面接触，并在螺栓载荷下压紧而形成密封，与金属椭圆垫相比，八角垫不易与法兰梯形槽密合，但其界面由直线构成，更易于加工，并且垫片能重复使用，使用本钱低。
影响螺栓法兰接头泄漏的因素
使用条件的影响
承受的密封连接形式一样，在一样的工况条件下，粘度大的介质泄漏率大，这主要 是由于粘度是反映流体内摩擦力大小的物理量，对于粘度大的介质，其流淌阻力大， 通过泄漏流道时的阻力增加，泄漏率就会减小；承受的密封连接形式一样，密封面
两侧的压力差越大，泄漏率越大，这是由于压力差越大，介质越简洁抑制泄漏流道
的阻力，使泄漏越简洁；密封组件的温度越高，泄漏越简洁发生，这由于温度越高， 垫片的回弹性能越低，蠕变量越大，同时垫片老化、失重、松弛现象也会越来越严 重，使垫片密封性能降低。
密封组件性能的影响
法兰、垫片密封面越粗糙，泄漏率越大，这是由于密封面越粗糙密封面间的微小间隙不易被贴合；垫片回弹力量越大，泄漏率越小，这是由于回弹力量大，能更好地补偿压力、温度引起的法兰端面分别；垫片、螺栓抗蠕变性能越好，泄漏越不易发生，这是由于蠕变变形量越小，螺栓载荷、垫片应力损失越小。
螺栓安装质量的影响
螺栓安装质量包括安装螺栓载荷的大小、安装螺栓载荷的均匀性。安装螺栓载荷必 须掌握在适当的范围内，一方面不能过小，否则垫片比压低，影响垫片的密封力量； 另一方面也不能过高，否则会引起法兰、螺栓屈服或垫片压溃，导致螺栓法兰接头 失效泄漏。
中压蒸汽系统法兰泄漏分析
泄漏发生时间、位置都具有不确定性，与此相关的主要是人为因素影响比较大的螺栓法兰接头螺栓安装质量。现从螺栓载荷的大小、螺栓载荷的均匀性进展分析。
安装螺栓载荷的分析
螺栓法兰接头密封的本质是在垫片安装过程中，通过拧紧螺栓使垫片产生足够的压缩变形，使垫片外表与法兰外表严密贴合，从而堵塞密封接触外表及垫片内部微小空隙形成的泄漏通道。安装螺栓载荷与其他载荷的关系见图 1。
图 1 安装螺栓载荷与其他载荷的关系
最小需要螺栓载荷：足够的密封接头的螺栓载荷。由垫片预紧应力+补偿因内压力和外载荷、温度载荷以及蠕变松弛等引起的垫片应力削减等需要的最小螺栓
载荷。
最大允许螺栓载荷：与最大垫片应力相应的最大螺栓载荷。
最大可用螺栓载荷：法兰或螺栓屈服、法兰回转角过大导致泄漏的最大螺栓载荷。
安装螺栓载荷：在最小需要的螺栓载荷根底上，对泄漏留有足够安全裕度和考虑安装准确性后的安装使用的螺栓载荷。
目标螺栓载荷：在上述安装螺栓载荷范围内，规定或选定的螺栓安装载荷， 该载荷不超过最大允许螺栓载荷。
当实际螺栓载荷低于最小需要螺栓载荷时，垫片由于接触面上的应力过小而发生泄漏，而当实际螺栓载荷高于最大允许螺栓载荷时，由于法兰或螺栓屈服、法兰回转角过大导致泄漏。
安装螺栓载荷的计算
螺栓载荷由施加到螺母上的力矩产生，力矩和载荷间存在线性关系，紧固螺栓时， 螺母上的力矩可表示为：
式中 M 一螺栓紧固力矩，N·m；F 一螺栓预紧载荷，N；P 一螺纹的节矩，m；μt 一螺母和螺栓螺纹之间的摩擦系数；μt’一螺母和螺栓螺纹之间的当量摩擦系数； rt 一螺纹的有效接触半径，m；a 一螺纹的螺旋角；β 一螺纹的半角；μn 一螺母
底而和连接件端而之间的摩擦系数； rn 一螺母和连接件表而之间的有效接触半径。
在螺栓法兰接头中，紧固螺栓时，抑制螺母底和连接件或垫圈端面之间的摩擦作用的力矩占总力矩的 50%，抑制螺母和螺栓螺纹之间摩擦作用的力矩占总力矩的 40%，而用于拉伸螺栓的力矩仅占总力矩的 10%。这种状况下，当目标螺栓载荷较高时，需要的总的力矩会很大，有时囿于使用工具、现场作业环境等因素很难到达，造成实际螺栓载荷低于最小需要螺栓载荷，使垫片接触面上的应力过小而
发生泄漏。即使使用液压工具紧固螺栓时也会发生这种状况，使用拉伸器时，拉伸
器输出的拉力有很高的精度，但需要通过人工旋紧螺母，再加上拉申器卸压时螺栓回弹，载荷转移过程中的损失载荷，实际留存于螺栓上的载荷较低；液压扳手工作时由于反作用力臂的存在需要一个反力支点，外部反力支点在液压扳手工作时将对液压扳手产生一个偏载力，该力使螺栓受到附加的翻转力矩，该力矩的消灭增加了抑制螺母底和连接件或垫圈端面之间的摩擦作用的力矩，也增加了抑制螺母和螺栓螺纹之间摩擦作用的力矩，使螺栓上的实际载荷降低。
螺栓法兰接头是协调变形系统，但不均匀的螺栓载荷使法兰发生偏转，造成垫片应力沿径向分布不均匀，形成内紧外松，垫片有效密封宽度减小，密封效果变差。〔法兰有用手册法兰有用手册编委会编〕。在总的螺栓载荷相等、甚至大得多的状况下，不均匀螺栓载荷下的螺栓法兰接头更简洁泄漏，紧固螺栓时“把得匀” 比“把得紧”更重要。螺栓拧紧方式、步骤和载荷等对减小螺栓弹性交互作用的影响，改善螺栓载荷不均匀地分布有重要作用。几个或同时紧固全部的螺栓是减小弹性交互作用最为有效的方法，这种方法还能够削减对垫片的损伤，与单工具穿插紧固方法相比更简洁，且有更好的紧固效果。
装置施工过程中，中压蒸汽系统法兰螺栓根本承受人工加扳手紧固，力气大小全凭个人感觉，螺栓紧固力矩根本无精度可言，同时，紧固时缺乏紧固方案指导和现场监视检查，螺栓紧固质量难以得到保障，螺栓载荷缺乏、各螺栓间载荷不均匀的状况大量存在，在法兰接头投入使用后〔卸载〕，这种状况变得更加恶劣，系统压力、温度波动使卸载加剧，当垫片接触面上的应力低于垫片密封所需的最小应力时，泄漏就消灭了；同时，随着系统运行，法兰接头中各组件蠕变松弛作用开头显现，同样使垫片上应力渐渐低于垫片密封所需的最小应力，造成垫片泄漏。垫片泄漏与螺栓载荷缺乏、各螺栓间载荷不均匀关联较大，应从螺栓预紧过程上着手进展整改，使螺栓有足够大的载荷以供给充裕的垫片预紧应力，用来补偿使用过程中
由流体压力、管道系统外载荷、温度压力波动、材料蠕变松弛等作用引起的垫片应
力降低，同时使法兰紧固螺栓载荷分布均匀。5 完毕语
通过比选，承受了系统螺栓紧固方案作为泄漏整改方案，全部螺栓的载荷精度可保持在±11%以内，保证了螺栓紧固力足量地施加到了螺栓上，多个螺栓同时紧固、按步骤、分步提高紧固力矩的紧固方法，有效减小了螺栓弹性交互作用的影响，保证了各螺栓间载荷的均匀性，同时削减了总的螺栓载荷，紧固完成后螺栓的预紧力处于材料屈服极限 40%以下。经过装置运行和几次开停工的检验，中压蒸汽系统法兰接头泄漏整改比较成功，经过整改的法兰再没有消灭泄漏。
参考文献：
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